Л.А. Абрамов, 2В.Г. Боровицкий, 3С.П. Зарубин, 4В.В. Матвеев, 5 А.В. Никитин, 6С.В. Филатченков, 7Н.С. Хохлов 1 Главный специалист, 2Начальник отдела, 3Начальник отделения, 4Ведущий специалист, 5Начальник отделения, 6Заместитель генерального директора, 7 Начальник лаборатории ОАО «Российский институт радионавигации и времени» (г. Санкт-Петербург) 1 ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КООРДИНАТНО-ВРЕМЕННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ 1. Введение Арктическая зона имеет стратегическое значение для обеспечения национальных интересов России. С развитием Арктики напрямую связано решение долгосрочных задач государства, его конкурентоспособность на мировых рынках. В «Стратегии развития Арктической зоны РФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» поставлены такие цели, как расширение ресурсной базы, сохранение и обеспечение защиты природной среды, модернизация и развитие инфраструктуры арктической транспортной системы, в том числе Северного морского пути, формирование единого информационного пространства и другие. Одним из ключевых и неотъемлемых инструментов для реализации обозначенных приоритетных направлений развития Арктической зоны России является координатно-временное обеспечение. Экстремальные природно-климатические условия, огромная и недостаточно изученная территория, большая удаленность от развитой инфраструктуры, высокая стоимость проводимых работ, низкая устойчивость экологических систем к антропогенным воздействиям, пристальное внимание международной общественности и приарктических государств к освоению Арктики – все эти факторы предъявляют повышенные требования к надежности и точности координатно-временного обеспечения в Арктической зоне. В настоящее время во всем мире доминирующую роль в решении задач координатно-временного обеспечения играют глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС). Однако международный опыт эксплуатации данных систем свидетельствует о наличии рисков преднамеренного или непреднамеренного нарушения их работоспособности. Отмеченная проблема использования ГНСС даже в сравнительно небольших масштабах (локальных или региональных) может приводить к серьезным последствиям: от небольших аварий до глобальных техногенных катастроф. В полярных широтах растет вероятность нарушения работоспособности ГНСС и ухудшения обеспечиваемых ими параметров. Это обусловлено нестабильностью ионосферных задержек сигналов от космических аппаратов ГНСС, связанной с авроральными явлениями в ионосфере, усиливающимися в период повышения солнечной активности. В свете предъявляемых повышенных требований к надежности и точности координатно-временного обеспечения в Арктической зоне указанные проблемы обуславливают необходимость независимого резервирования ГНСС, необходимость принятия специальных мер при работе по сигналам ГНСС, а также необходимость интеграции радионавигационных систем. В данной работе рассматриваются возможности существующих и перспективных навигационных технологий, которые предлагается использовать в Арктической зоне России. 2. Резервные радионавигационные системы В целях повышения надежности координатно-временного обеспечения Арктической зоны России в данном регионе целесообразно использовать следующие радионавигационные системы, обеспечивающие независимое резервирование ГНСС: а) наземные: фазовую радионавигационную систему (ФРНС) сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона; импульсно-фазовую радионавигационную систему (ИФРНС) длинноволнового (ДВ) диапазона; в сочетании с дифференциальными подсистемами (ДПС), обеспечивающими передачу корректирующей информации (КИ); б) подводные: радиогидроакустические системы (РГС), обеспечивающие подводную/подледную навигацию с использованием сигналов ГНСС и ИФРНС, в том числе в дифференциальном режиме. Выбор ФРНС и ИФРНС для обеспечения независимого резервирования ГНСС объясняется их высокой помехоустойчивостью, обусловленной особенностями используемого диапазона частот и большой мощностью излучаемых сигналов, и, как следствие, сложностью создания для них преднамеренных помех. Применение РГС расширяет пространственную зону координатно-временного обеспечения, а также позволяет обеспечить непрерывную навигацию объекта при переходе из одной среды в другую. 2.1 Фазовая радионавигационная система ФРНС «Маршрут» – это дальномерно-гиперболическая фазовая радионавигационная система сверхдальнего действия СДВ диапазона для радионавигационного обеспечения летательных аппаратов, надводных и подводных судов. Свойства распространения радиоволн СДВ диапазона позволяют уверенно принимать сигналы мощных СДВ передатчиков на значительных удалениях (до 13 000 км) и проводить радионавигационные определения практически в любых погодных условиях на значительной территории Земного шара (до 60 %), в том числе под водой и подо льдом. В составе системы находятся 4 станции большой мощности, расположенные в районах г. Новосибирск, г. Краснодар, г. Комсомольск-на-Амуре и п. Ревда Мурманской обл. Рабочие зоны ФРНС приведены на рисунке 1. Система из 3-х станций Система из 4-х станций Рис. 1. Рабочие зоны ФРНС «Маршрут» В настоящее время ФРНС «Маршрут» обеспечивает точность определения плановых координат в рабочей зоне не хуже 1,8 - 6,0 км. В дифференциальном режиме данная система может обеспечивать точность местоопределения 0,6 - 1,0 км. ФРНС «Маршрут», кроме задач радионавигационного обеспечения, может использоваться также для мониторинга параметров ионосферы, солнечных протонных событий и т. п. исследований; передачи служебной информации потребителям, находящимся на удалениях до 8 000 – 10 000 км от границ Российской Федерации, как в воздушном пространстве, так и под водой, и подо льдом [1]. Для реализации в Арктической зоне России возможностей координатно-временного обеспечения, предоставляемых ФРНС «Маршрут», требуется модернизация существующих станций, направленная на улучшение их тактико-технических и эксплуатационных характеристик, а также на расширение функциональных возможностей системы. Необходимость модернизации ФРНС «Маршрут» предусмотрена в «Стратегии развития Арктической зоны РФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» (п. 15 б). 2.2 Импульсно-фазовая радионавигационная система ИФРНС «Чайка» – это дальномерно-гиперболическая импульснофазовая радионавигационная система дальнего действия ДВ диапазона для радионавигационного обеспечения воздушных, морских и наземных потребителей. В настоящее время в составе Северной цепи ИФРНС «Чайка», обеспечивающей рабочую зону в Арктическом регионе, находятся 3 стационарные передающие станции, расположенные в районе г. Норильск, г. Инта, п. Туманный. До 2008 г. в составе Северной цепи функционировало 5 станций (помимо указанных выше – п. Таймылыр, о. Панкратьева). Прогнозные рабочие зоны ИФРНС «Чайка» при развитии системы в Арктической зоне России приведены на рисунке 2. Рис. 2. Прогнозные рабочие зоны ИФРНС «Чайка» в Арктике В пределах рабочих зон ИФРНС «Чайка» обеспечивает точность местоопределения 150 – 600 м. При учете в аппаратуре потребителей поправки на распространение сигнала можно повысить точность до 50-75 м. При реализации дифференциального режима работы точность определения координат сравнима с точностью ГНСС и не превысит 5-10 м в локальных зонах [2]. Для организации ДПС с некоторой потерей точности могут использоваться существующие и новые передающие станции ИФРНС, средневолновые радиомаяки, а также другие радиопередатчики различных частотных диапазонов и различные информационные сети, отвечающие требованиям к пропускной способности канала передачи КИ [3]. ИФРНС «Чайка» может использоваться также для передачи оперативной информации (скорость передачи данных до 80 бит/с на расстояния до 500 км от передающей станции) при определенных доработках и передачи информации о единой шкале времени (UTC) на большие расстояния. В настоящее время точность привязки шкалы времени потребителя по сигналам ИФРНС составляет 1 мкс, потенциально может быть достигнуто значение 50-70 нс. С целью обеспечения необходимых рабочих зон ИФРНС «Чайка» в Арктической зоне России, требуется разработка, изготовление и ввод в эксплуатацию 7 новых автоматизированных станций [4]. 2.3 Радиогидроакустические системы Одним из перспективных и востребованных в условиях Арктики направлений в сфере координатно-временного обеспечения является создание навигационной системы для подводных/подледных потребителей на основе интеграции радионавигационных и гидроакустических технологий. В основу работы РГС положен принцип определения координат подводного объекта относительно надводных плавающих, дрейфующих со льдом, а также заякоренных буев, местоположение которых в свою очередь определяется по сигналам ГНСС или ИФРНС, в том числе и в дифференциальном режиме. РГС способны обеспечивать дальность действия до 10 км, точность определения координат подводного объекта по ГНСС 0,5 6 м, по ИФРНС в дифференциальном режиме 7 - 20 м. РМ КИ ИФРНС Рис. 3. Схема функционирования РГС 3. Интегрированная аппаратура потребителей Для гарантированного и непрерывного обеспечения координатновременной информацией потребителей, осуществляющих деятельность в воздушном, наземном, водном, подледном пространстве (а также при переходе из одной среды в другую) в Арктической зоне России, должны быть разработаны в разных вариантах исполнения: интегрированный приемник/приемоиндикатор, обеспечивающий формирование навигационного решения путем совместной обработки сигналов ГНСС, ИФРНС, ФРНС, ДПС и РГС; интегрированная синхронизирующая аппаратура, обеспечивающая временную синхронизацию пространственно разнесенных объектов путем совместной обработки сигналов ГНСС, ИФРНС, ФРНС и РГС. Данная аппаратура позволит потребителям решать задачи координатно-временного обеспечения, используя возможности, предоставляемые несколькими независимыми системами, каждой в отдельности, а также их совокупностью. 4. Системы высокоточного позиционирования В целях обеспечения безопасности при разработке и эксплуатации углеводородных месторождений на континентальном шельфе требуется осуществлять непрерывный высокоточный мониторинг геодинамических процессов и деформаций сооружений шельфовых объектов. Для решения этой задачи целесообразно оснастить шельфовые объекты системами высокоточного позиционирования, использующими сигналы ГНСС [5]. В настоящее время разработана высокоточная (прецизионная) аппаратура геодинамических наблюдений «ГЕО-П» (ОАО «РИРВ»), работающая по сигналам ГНСС ГЛОНАСС, GPS, GALILEO в трех частотных диапазонах и обеспечивающая при проведении геодинамических измерений определение относительного смещения элементов конструкций с точностью до 2 мм. Рис. 4. Приемник «ГЕО-П» 5. Заключение Реализация представленных предложений позволит в Арктической зоне России: повысить надежность и расширить пространственную зону координатно-временного обеспечения, существенно снизить риски преднамеренного или непреднамеренного нарушения работоспособности ГНСС, обеспечить точность определения координат 5-10 м и точность привязки шкалы времени потребителя 50-70 нс независимо от ГНСС. Данные предложения могут быть реализованы до 2025 г. при ориентировочном объеме финансирования 9 млрд. руб. Список литературы 1. Болошин С.Б., Боровский В.В., Кустов О.В., Лукин А.А., Писарев С.Б. Передача цифровой информации в фазовой радионавигационной системе СДВ диапазона // Радиотехника. – 1999. - № 11. – С. 59-63. 2. Van Willigen D. eDLoran – next generation of differential Loran // ENC-GNSS 2014. - Rotterdam. 2014. 3. Иванченков Д.А., Абрамов Л.А., Зарубин С.П., Хохлов Н.С., Чоглоков А.Е. Автоматизированный комплекс аппаратуры формирования и излучения ККИ ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/ИФРНС в средневолновом диапазоне для приложений морской и речной навигации // Труды VII Российской научно-технической конференции «НГО-2011». – СПб.: ГНИНГИ. 2011. – С. 270-274. 4. Абрамов Л.А., Зарубин С.П., Хохлов Н.С. Исследование особенностей формирования сигналов в перспективных радиопередающих устройствах длинноволновых радионавигационных систем // Сборник тезисов Всероссийской научно-технической конференции «Системы связи и радионавигации». – Красноярск: ОАО «НПП «Радиосвязь». 2014. – С. 130131. 5. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии (т.1-2). - М.: ФГУП «Картгеоцентр». 2005.